高纯锗γ能谱仪在石材放射性检测过程中的 不确定度评定研究

韩建，吕旭（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引言

由于社会的不断发展，人们对生活质量的追求逐渐提升，尤其是对所处环境的安全性要求。对于建筑装饰材料而言，石材是比较常用的一种，因此人们对其放射性较为关注。现如今有关石材的放射性核素含量是不是超标已经成为社会各界重点关注的内容。对石材的放射性有没有超标进行确定需要经过核素的定性和定量分析，并且对石材进行等级划分。比较常用的测量工具是高纯锗γ能谱仪，在多个领域中都有良好的应用。但是因为我国现阶段各检测机构所使用的设备没有统一化标准，检测人员的能力也存在差异，对检测结果评定也会有所不同。因此，需要对石材放射性结果进行不确定度评定，从而为相关检测提供质量保证。

1 高纯锗γ光谱仪对石材进行放射性检测的必要性

属于半导体探测器的高纯锗γ光谱仪是由高纯度锗制成的P-N型光谱仪，由于锗的纯度高，杂质浓度低，因此电阻率高，可以得到更密集的耗尽层，也因为锗的原子序数很高，适合探测1条辐射线，高纯度锗γ光谱仪是一种利用二次电子电离效应测量辐射的仪器，与锗原子相互作用的γ光子在更有利的参数下，高纯锗-1光谱仪可以达到很好的能量分辨率，而这是实验室里的设备，在学生不断的实验研究中，由于环境放射性的复杂性，精确拍摄是基础，在那里我们可以进一步研究地球的环境。地球环境中的放射性由于来源和相关光谱1的多样性相对复杂，而传统教学实验中的闪烁体1光谱仪用于环境测量，因为分辨率的限制会导致多种光谱叠加，难以分析，高纯度锗γ从开始训练至今，经过三年的学习，得到了学生们的热烈欢迎，学生们在这次实验中把被动学习作为一项积极的探索，不仅可以研究谱仪1的工作原理，亲自研究谱γ的调试最优工作参数，学会做能量刻度，并通过对测量结果的研究，初步学会做所谓的光谱分析，建立更加科学的环境核辐射问题认识，在培养学生解决实际问题能力的过程中。

近年来，我国的房地产行业发展迅速，从而推动建筑材料市场也得到了良好的发展。由于人们物质生活水平逐渐提高，对建筑装饰装修也有了更高的要求，因此，有越来越多的无机非金属建筑材料被应用在室内外装修上。其中，应用比较广泛的是石材、石膏制品、陶瓷以及其他新型材料等。这些材料的应用虽然能够使家居环境得到美化，但是也增加了有害物质放射性含量，对人体健康造成较大的危害。具有放射性危害的物质通常存在于大理石、花岗岩、瓷砖等建筑材料中。依照JC518—93《天然石材产品放射性防护分类控制标准》，天然石材产品的放射性主要分为：A类、B类、C类以及大于C类[1]。对于放射性比活度超过C类值的石材，通常用于桥墩、海堤等工程中。依照国家的有关规定，市场在流通石材时，需要对石材的类别进行明确标注，然而从实际情况来看，有部分石材厂家并没有严格执行这一规定，同时消费者对此也没有全面的认识，所以在建筑装修中就容易使用到放射性超标的石材。因此，对石材进行放射性检测非常重要。

现阶段，我国用于评价有关无机非金属材料的放射危害性的强制性标准为GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》，并且明确要求了对石材放射性检测主要使用低本底多道γ能谱仪[2]。其中，能谱仪类型有高纯锗探测器γ能谱仪和碘化钠探测器γ能谱仪。而高纯锗γ能谱仪具有较高的能量分辨率，而且稳定性和线性都很好，所以具有较为广泛的应用。

2 试验材料和方法

2.1 材料与仪器

试验用的主要材料为石材样品，将其研磨成粉末状。用到的仪器主要是高纯锗γ能谱仪(美国CANBERRA公司)，型号为GX5019。

2.2 试验方法

将试验用的石材样品先经过105 ℃烘干，在24小时后对样品质量进行测量，待达到恒重（误差在0.1 g范围内）后，将需要检测的样品进行粉碎过筛，其粒径达到0.16 mm以下，进行称重之后，再将其装入到和刻度γ能谱仪的体标准源相一致的样品盒中，对样品质量再次进行称重，接着使用气密性胶带进行密封，经过21天的放置，使用高纯锗γ能谱仪对样品进行放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度值测试。

2.3 测量不确定度的来源

依照对测量不确定评定和表示的有关规定，测量不确定度主要包含A类评定和B类评定两种。其中，有关A类的评定方式较为简单，使用也较为常见，其余使用非统计法的评定属于B类不确定度评定。A类不确定度的来源主要通过重复性测量的相对标准方差，其中包含测量人员、环境、流程等因素。从整体上来看，这一不确定度分量也包含了多个用于B类方法评定的分量。所以，利用重复性测量，主要是为了有效简化测量结果不确定度的评定流程，同时也给出了实际测量的评定方法。对此次试验过程中测量不确定度的主要来源有：测量重复性的不确定、标定用标准土壤样品活度不确定、能谱仪系统的不确定、γ能谱仪检定所使用的计量标准及主要器具的不确定因素[3]。

近年来，我国不断加大执行强制性国家标准的力度，建筑装饰材料中放射性核素含量已经成为质量安全控制的重要因素，有关部门也增加了建材放射性核素的监测内容。为了能够使监测机构为用户提供更加可靠准确的测量数据，就需要有统一的标准样品。依照研究，选择建筑装饰材料中的石材、陶瓷以及粉煤灰砌块进行放射性标准样品研制具有较好的合理性，能够在放射性核素含量上展示其代表性。经过长时间的研制，确定了标准样品中226Ra、232Th、40K这几种核素的标准值和不确定度，这一系列的标准样品已经列入到国家标准样品中。

对于标准样品，需要进行均匀性检验、定值数据处理以及稳定性检验，以此来验证标准样品是否能够满足我国建材产品放射性检测的需要。通过高纯锗γ能谱仪测量样品中放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度，从而确定标准样品的定值参数。利用方差分析法检验其放射性比活度的均匀性，通过检验表明，标准样品的放射性含量具有均匀性。另外，使用低本底高纯锗γ能谱仪进行样品226Ra、232Th、40K这几种核素比活度的定值工作，通过数据处理，得到标准值以及标准值的不确定度。对数据进行正态分布检验，然后进行等精度分析，计算总平均值和标准偏差，以算术平均值的不确定度的2倍表示测量的不确定度。定值结果主要取算术平均值，由A类不确定度和B类不确定度共同构成标准值的总不确定度。而扩展不确定度主要是算术平均值不确定度的2倍，也就是包含因子k=2。再者，对标准样品进行稳定性检验，外部环境变化不会引起放射性核素自身衰变，然而基质的质量随着时间变化，其核素比活度稳定性会受到影响。对其稳定性进行检验，主要是在相同条件下使用高纯锗γ能谱仪依照一定的时间间隔对同一样品中的226Ra、232Th、40K核素放射性比活度进行测量。通过平均值一致性检验法检验。从检验结果能够看出，226Ra、232Th、40K具有可靠的稳定性，其量值具有长期稳定性。标准样品中所含有的226Ra、232Th、40K放射性核素，涵盖了建材产品所有要检测的核素，比活度量级为101～103Bq/kg，总不确定度在10%以下，能够符合我国建材产品放射性含量监测的需要。

3 不确定度评定

使用定量的方法对其进行评定难以良好的研究每个因素的影响，所以，此次试验使用简便方法，也就是在重复性测量的情况下对同一批次的多个试验样品进行测量，然后对其标准偏差进行计算，以明确各随机因素合成重复性不确定度分量。依照国家标准GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的标准规定，如果样品中226Ra、232Th、40K放射性比活度的总和超过37 Bq/kg，就需要进行不确定度评定测量，其中扩展因子k=1，而且测量不确定度在20%以内[2]。该次试验中主要对石材样品进行10次独立的测量，每次测量时间为2小时，对226Ra、232Th、40K的比活度进行分别测量。其中测量的结果如表1所示。

表1 石材样品226Ra、232Th、40K的比活度值

3.1 A类不确定度

3.2 B类不确定度

关于B类的不确定度主要包含能谱仪检定中使用的标准计量器具的不确定度、仪器系统的不确定度及实验标定使用的标准源的不确定度，该类不确定度由计量测试研究院检定证书提供[4]。依照检定证书提供的数据，γ能谱仪检定使用的计量标准不确定度范围在0.8%～4.0%，其中k=2，相对标准不确定度范围在0.40%～2.0%，其中ub1取值2.0%，k=1。另外，能谱仪系统不确定度为ub2，取值2.0%，k=1。依照标准放射源测试证书，标定用标准源的不确定度为Ra=6.5%，k=2，Th=6.5%，k=2，K=6.5%，k=2，相对标准不确定度ub3均为3.25%，k=1。

3.3 合成不确定度

各个不确定度分量之间是相互独立的，不存在相关性，对于A类不确定度和B类不确定度所包含的各分量进行相应的叠加合成，最终形成合成不确定度[5]。

其中，Ra=4.45% Th=4.61% K=4.34%

3.4 扩展不确定度

合成不确定度乘以包含因子就得到扩展不确定度，其中，包含因子k=2，扩展不确定度U=2uc[6]。

URa=2×4.45%=8.90%

UTh=2×4.61%=9.22%

UK=2×4.34%=8.68%

4 结果与讨论

石材放射性测量结果为：

226Ra=81.9(Bq/kg)

232Th=108.1(Bq/kg)

40K=1030.2(Bq/kg)

表2 石材样品226Ra、232Th、40K各类不确定评定结果

根据对石材样品放射性测量中226Ra、232Th、40K的不确定度评定，依照国家标准GB 6566—2010中的相关规定，样品中测得的226Ra、232Th、40K比活度总和超过37Bq/kg时，而且测量不确定度（k=2）在20%以内，就说明测量的结果具有可靠性和准确性。

5 结语

综上所述，由于社会的不断发展，人们对生活质量的追求逐渐提升，尤其是对所处环境的安全性要求。在建筑装饰材料中比较常用的就是石材，但由于其中存在镭、钾、钍等天然放射性同位素，因此，石材不可避免的具有放射性。如果放射性超标，会对人体健康产生较大的危害，所以，对石材放射性含量的监测和评估非常重要。本文主要通过高纯锗γ能谱仪对石材样品进行226Ra、232Th、40K比活度值测试，同时对测量结果进行不确定度评定。该评定结果满足GB 6566—2010标准的要求，说明测量结果具有可靠性，能够以日常检测报告的形式提供给相关客户。而且这一结果也能够为石材类产品放射性核素限量的有效评定提供良好的综合效益。